يا له من جر: آثار لزوجة السوائل على مضخات الطرد المركزي
من التعبيرات التي يتم ذكرها بشكل متكرر حول صناعة المضخات أن اللزوجة هي كريبتونيت لمضخات الطرد المركزي. عفوًا عن الإشارة إلى سوبرمان ، لكنها إشارة لا يتعلق بها معظمنا فحسب ، بل نفهمها أيضًا. علاوة على ذلك ، فإن السوائل اللزجة لها تأثير سلبي وضعيف على أداء مضخة الطرد المركزي.
اللزوجة هي مقياس لمقاومة السائل للتدفق عند درجة حرارة معينة. يمكنك أيضًا التفكير في الأمر على أنه احتكاك سائل. يشرح التعريف الأكثر تقنيًا اللزوجة كقوة مطلوبة لتحريك مستوى سائل (لوحة التفكير) لبعض مساحة الوحدة ، على مسافة ما فوق مستوى آخر بمساحة متساوية في فترة زمنية محددة. في الفصول التدريبية ، أعرّف اللزوجة ببساطة على أنها مقاومة السائل للسكب ، ولكن الأهم من ذلك أنها مقاومة يجب ضخها.
ربما كان إسحاق نيوتن هو أول شخص نعرفه لتحديد معامل اللزوجة كميًا. لم يكتمل مفهومه وأعماله ذات الصلة ، ولكن تم تنقيحه لاحقًا من قبل جان ليونارد ماري بويزيول (انظر قانون بويزويل).
لماذا نحن قلقون بشأن اللزوجة فيما يتعلق بمضخات الطرد المركزي؟
بشكل رئيسي لأن اللزوجة لها تأثير غير عادي وسلبي في كثير من الأحيان على أداء مضخة الطرد المركزي. ستؤدي زيادة اللزوجة إلى تقليل كفاءة المضخة بشكل كبير بالتزامن مع التخفيضات الملحوظة في الرأس والتدفق. والنتيجة الصافية هي زيادة قوة الفرامل المطلوبة للسائق.
تصحيحات اللزوجة
تعتمد جميع منحنيات أداء مضخة الطرد المركزي على ضخ المياه ، ما لم ينص على خلاف ذلك. عندما بدأت العمل في مجال المضخات ، لم تكن هناك برامج كمبيوتر لتشفير تصحيحات اللزوجة اللازمة ، وقد تستغرق الطرق اليدوية ساعات حتى تكتمل. مع ظهور البرامج المحوسبة لاختيار المضخة ، أصبح من السهل الآن تصحيح أداء المضخة من أجل اللزوجة بضغطة زر واحدة ، لكننا غالبًا ما نتغاضى عن تفاصيل وتأثيرات تغيرات اللزوجة على أداء المضخة وخاصة القدرة الحصانية المطلوبة.
قبل برامج الكمبيوتر ، كانت هناك ثلاث طرق أساسية لتصحيح أداء مضخة الطرد المركزي من الماء إلى اللزج.
1. كان نموذج AJ Stepanoff قابلاً للتطبيق في أفضل نقطة كفاءة (BEP) للرأس والتدفق ولكن الموثوقية والصلاحية تضاءلت مع زيادة الابتعاد عن أفضل الممارسات البيئية.
2. كانت طريقة Paciga أفضل قليلاً من نموذج Stepanoff لأنها يمكن أن تكون أكثر دقة عبر نطاق أوسع من التدفقات. قامت Paciga بدمج سرعة محددة ونسبة تدفق (التدفق الفعلي مقارنةً بـ BEP). كان الجانب السلبي هو أنه مع زيادة اللزوجة تقلص الموثوقية. كان هذا في الغالب بسبب تأثير رقم رينولدز في حسابات الصيغة.
3. الطريقة الأصلية للمعهد الهيدروليكي باستخدام مخططات التصحيح اللزج للحصول على عوامل التصحيح اللزج (للرأس والتدفق والكفاءة). كانت الطريقة عبارة عن تحسين مقارنة بالطرق السابقة بسبب السهولة والدقة والمدى الواسع للتطبيق. بالنسبة للأشخاص الذين عملوا في العمل لبعض الوقت ، سيكون من الحكمة مراجعة الأساليب الأحدث التي قدمها المعهد الهيدروليكي (راجع توجيه ANSI / HI 9.6.7-2010). تستخدم الطريقة الجديدة معادلة تسمى المعلمة B لإنتاج عوامل تصحيح لزجة. تقضي الطريقة الأحدث أيضًا على بعض الارتباك وعدم الدقة في نطاق 100 جالون في الدقيقة (gpm).
تصحيحات منحنيات الضخ
في عالم مثالي ، سيكون "منحنى" أداء مضخة الطرد المركزي في الواقع خطًا مستقيمًا ، ولكن في العالم الحقيقي ، يكون منحنيًا بسبب الخسائر في المضخة. العوامل الرئيسية هي مزيج من الخسائر الميكانيكية ، والتسرب ، والصدمات ، والاحتكاك القرصي. احتكاك القرص هو المساهم الرئيسي والأكثر أهمية عند قياس الخسائر. تستند المنحنيات كما هو مذكور إلى أداء الماء ، ولكن مع التطبيقات على السوائل اللزجة ، يجب تصحيح منحنيات الماء هذه حتى تكون اللزوجة دقيقة. ستتطلب منحنيات الرأس والتدفق والكفاءة والقدرة الحصانية (BHP) جميعها تعديلًا (تصحيحات لزجة).
في أي قيمة الحد الأدنى من اللزوجة لبدء التصحيح؟
الشركة المصنعة للمضخة هي أفضل مصدر لهذه القيمة ، حيث أنها ستعتمد على التطبيق وشخصية السوائل وهندسة المضخة. لاحظ أنه عند 100 درجة مئوية ، ستكون التأثيرات اللزجة كبيرة. سأذكر أنه عند 30 إلى 40 سنتيبواز أو أكثر ، يجب عليك استخدام التصحيحات أو المخاطرة بتأثيرات ضارة. أوصي أيضًا أنه في مكان ما في منطقة من 5 إلى 10 سنتيبواز ، يجب أن تكون على الأقل مدركًا ومدركًا للتأثيرات مهما كانت طفيفة.
نظرًا لأن فحص منحنيات التصحيح سهل جدًا هذه الأيام ، فلن يكون من الحكمة عدم التحقق.
تأثير شكل وحجم المكره
كلما انخفضت السرعة المحددة (Ns) للمكره ، زاد احتكاك القرص. هذا ببساطة بسبب هندسة المكره وزاوية تدفق 90 درجة التي يدخلها السائل ثم يخرج من المكره. مع زيادة السرعة المحددة للمدفعة ، تصبح زاوية المدخل إلى الخروج أقل ويكون التفاعل مع السائل أقل.
كلما كان الدافع أصغر ، زادت احتمالية أن تكون تأثيرات احتكاك القرص أعلى لمجرد أن مساحة سطح المكره والأغلفة لها تفاعل أكبر مع السائل مقارنة بالمضخة الأكبر.
اللزوجة القصوى لمضخة الطرد المركزي
كثيرا ما يسألني. ما هي أقصى لزوجة يمكن لمضخة الطرد المركزي التعامل معها؟ إجابتي المختصرة هي أن "الأمر يعتمد". الإجابة الأفضل والأقل تقلبًا هي النظر في تقليل كفاءة المضخة (أيضًا الرأس والتدفق) وحساب الحد الأقصى المطلوب من القدرة الحصانية المصححة (حصان) للسائل اللزج. العديد من المراجع تحدد مضخات الطرد المركزي بحد أقصى 3000 ضغط مركزي. (لاحظ أنه تم نشر هذا الحد أيضًا كـ 3300 centistokes.)
هناك ورقة فنية أقدم حول هذا الموضوع من قبل CE Petersen (تم تقديمها في مؤتمر جمعية الطاقة في المحيط الهادئ في سبتمبر 1982). يقدم السيد بيترسن حجة مفادها أنه يمكن حساب اللزوجة القصوى بحجم فوهة تفريغ المضخة.
افترض السيد بيترسن صيغة على النحو التالي:
فيالأعلى = 300 (مد -1)
المعادلة 1
أين:
فيالأعلى = أقصى لزوجة حركية في SSU (Saybolt Second Universal) المسموح بها لتلك المضخة
D = قطر فوهة التفريغ بالبوصة.
سأستخدم هذه الصيغة فقط كقاعدة عامة.
لكي تكون دقيقًا ، يجب أن يكون لديك مدخلات من الشركة المصنعة للمضخة حول هذا الموضوع فيما يتعلق بحدود عزم الدوران والحصان. قد يكون هناك أيضًا حدود للإطار وأحيانًا (نادرًا) حدود لعزم دوران تحميل شفرة المكره.
اعتمادًا على حجم المضخة وهندسة المكره ، ستختلف حدود اللزوجة لمضخة الطرد المركزي المتوسطة من 250 إلى 700 سنتيبواز ، وقد شاهدت العديد من المضخات تضخ بنجاح السوائل التي تزيد عن 1000 سنتيبواز. إذا كان طلبك أعلى من 250 سنتيواز ، فإنني أوصيك بالعمل مع الشركة المصنعة / البائع للمضخة للوصول إلى الإجابة. النقطتان المهمتان اللتان يجب أخذهما في الاعتبار هما:
1. يوجد حد أقصى لعزم الدوران والحصان لعمود المضخة والذي سيتأثر سلبًا بزيادة اللزوجة. تأكد من التحقق من عامل تصحيح اللزوجة هذا لضمان التركيب المرضي والموثوق.
2. قد تظل قادرًا على ضخ السائل عالي اللزوجة بمضخة الطرد المركزي ، ولكن ستكون هناك نقطة تناقص الغلة بسبب انخفاض الكفاءة. ربما تستخدم 25 حصانًا لضخ السائل اللزج بمضخة طرد مركزي لا تتطلب سوى 5 حصان مع مضخة إزاحة موجبة.
قوة حصان / عزم الدوران
جميع أعمدة المضخة لها حد للسرعة والقدرة الحصانية وعزم الدوران. في حالة المضخات أحادية المرحلة ، سيعبر العديد من الشركات المصنعة عن ذلك بحد أقصى قدرة حصانية لكل 100 دورة في الدقيقة (rpm). لاحظ أن عزم الدوران يتناسب عكسياً مع القدرة الحصانية ، لذا فكلما انخفضت السرعة ، زاد عزم الدوران المطبق على العمود.
بينما تعتمد معظم حدود العمود على السرعة والحصان وحدود عزم الدوران المستمرة ، ضع في اعتبارك أنه إذا كانت المضخة مدفوعة بمحرك ، فسيتم تقليل الحدود بشكل أكبر (يعني الاحتراق الداخلي متقطعًا بدلاً من عزم الدوران المستمر). بالإضافة إلى ذلك ، إذا كان عمود المضخة محملًا جانبيًا ، كما في حالة محركات الحزام أو السلسلة ، فسيحدث انخفاض مذهل في حدود العمود بسبب عامل إجهاد الانحناء الدوري.
اللزوجة ودرجة الحرارة / الضغط
بالنسبة لسائل معين ، ستنخفض اللزوجة لزيادة درجة الحرارة والعكس صحيح. لاحظ أنه بالنسبة للغازات ، فهي علاقة عكسية. بالنسبة إلى اللزوجة المعلنة ، يجب أيضًا إعطاء درجة حرارة ، نموذجيًا 40 و 100 درجة مئوية هي معايير.
يمكن أن تكون درجة الحرارة مشكلة في هذا المجال لأن المضخات يتم تحجيمها وبيعها بشكل متكرر لضخ سائل لزج عند بعض درجات الحرارة المحددة ، ولكن بعد ذلك يتم تشغيل المضخات بالفعل عند درجة حرارة منخفضة ، مما ينتج عنه لزوجة أعلى ، وبالطبع ، مطلوب أعلى حصان مع تدفق ورأس أقل مما هو مطلوب أو موعود.
عادة ما تكون تأثيرات الضغط على لزوجة السائل صغيرة جدًا ويمكن تجاهلها في معظم الحالات.
اللزوجة والثقل النوعي
كثيرا ما يتم الخلط بين اللزوجة والجاذبية النوعية (SG). انهما شيئان مختلفان. تربكنا التعبيرات العامية الشائعة ، حيث يُشار إلى اللزوجة في كثير من الأحيان بشكل خاطئ على أنها سمك أو وزن. يحتوي الزئبق على نسبة عالية من SG (13) ، ولكن اللزوجة منخفضة والعديد من زيوت التشحيم لها SG منخفض (أقل من الماء أو أقل من 1.0) ولكن لها لزوجة عالية.
SG هو نسبة كثافة مادة - سائل في هذه الحالة - إلى كثافة معيار معياري ، عادة الماء. لاحظ أنه نظرًا لأن SG هي نسبة فلا توجد وحدات.
تُستخدم الثقل النوعي في المعادلة عندما نتحول إلى أو من اللزوجة الديناميكية والحركية. Centipoise = (Centistokes) (الثقل النوعي)
اللزوجة الديناميكية والحركية
Centipoise هي لزوجة ديناميكية (مطلقة) ولزوجة centistoke (أيضًا SSU) هي لزوجة حركية. طريقة بسيطة لشرح الاختلاف هي أن اللزوجة الحركية هي معدلات تدفق موقوتة من خلال الفتحات حيث تكون القوة الدافعة عادةً هي الجاذبية ، بينما اللزوجة الديناميكية هي قياس القوة المطلوبة للتغلب على مقاومة السوائل للتدفق عبر أنبوب (شعري). ببساطة ، الحركية هي قياس للوقت والديناميكية هي قياس للقوة.
اللزوجة وقواعد التقارب
كن حذرًا دائمًا مع قواعد التقارب لأنها لا تأخذ تفاعل النظام في الاعتبار. قبل تطبيق القواعد ، قم بالتحويل إلى الأداء المصحح لجميع المعلمات القابلة للتطبيق.
احتكاك الأنابيب وخسائر النظام
عند ضخ السائل ، كلما زادت لزوجة السائل كلما زاد الاحتكاك. المقاومة (الاحتكاك) ناتجة عن خصائص إجهاد القص للسائل وسطح جدار الأنبوب / المضخة. لاحظ أنه كلما خنق المضخة وأسطح / جدران الأنابيب يكون تأثير احتكاك السائل اللزج أقل.
راجع الفصل 3 (الاحتكاك) في كتاب بيانات كاميرون الهيدروليكي لمزيد من المعلومات حول هذا ، والعلاقة بمعادلة دارسي ويسباخ ورقم رينولدز. إذا كنت تحسب منحنى مقاومة رأس النظام وكان السائل لزجًا ، فيجب أن تأخذ ذلك في الاعتبار.
مطلوب / متوفر اللزوجة ورأس الشفط الإيجابي الصافي (NPSHR / NPSHA)
حدسيًا ، قد تعتقد أن التغييرات في اللزوجة ستؤثر على NPSHR (المعروف أيضًا باسم NPSH3) ، لكن معظم البيانات التجريبية المنشورة تعارض هذا النوع من التفكير. في تطبيقات خط شفط المضخة حيث تواجه السوائل عالية اللزوجة مشاكل في التدفق في الأنبوب إلى شفط المضخة ، ولكن هذه المشكلات عادة ما تتم تغطيتها في مكون الاحتكاك لحساب NPSHA. أي أن عامل الاحتكاك سيكون أعلى بالنسبة للسائل اللزج وبالتالي يقلل من NPSHA. نصيحتي بشأن السوائل اللزجة هي زيادة الهامش بين NPSH المتاح والمطلوب.
تشير العديد من الكتب المرجعية التي تحظى باحترام كبير (ولكن أقدم) إلى أنه لا يوجد دليل يذكر على أن اللزوجة تؤثر على قيمة NPSHR (NPSH3). تنص النسخة الجديدة من الدليل التوجيهي ANSI / المعهد الهيدروليكي 9.6.7 على أنه يمكن النظر في نهج تحليلي (راجع القسم 9.6.7.5.3 من الدليل الإرشادي). يقدم الدليل معادلة لحساب NPSHR المصحح (NPSH3).
لنقتبس فقرة واحدة من هذا القسم: "هناك تأثير مزدوج لزوجة السائل الذي تم ضخه على NPSH3. مع زيادة اللزوجة ، يرتفع الاحتكاك ، مما يؤدي إلى زيادة NPSH3. في الوقت نفسه ، تؤدي اللزوجة الأعلى إلى انخفاض انتشار جسيمات الهواء والبخار في السائل. يؤدي هذا إلى إبطاء سرعة نمو الفقاعات وهناك أيضًا تأثير ديناميكي حراري ، مما يؤدي إلى بعض الانخفاض في NPSH3 ".
مضخة اغلاق الرأس عند ضخ سائل لزج
هل لا تزال المضخة في خدمة السوائل اللزجة تقترب من نفس رأس الإغلاق كما هو الحال عند ضخ الماء؟ يظهر هذا السؤال بشكل متكرر في عملي ، وقد بحثت على نطاق واسع للحصول على إجابة (ولكن لم يكن هناك اختبار فعلي). يبدو أن الإجابة هي أنه عند معدل التدفق الصفري ، يكون الرأس الذي طورته المضخة هو نفسه للمياه كما هو الحال بالنسبة للسائل اللزج حيث نفترض أن اللزوجة أقل من 600 سنتيبواز.
يبدو أن العديد من مرشدي المحترمين يفكرون في نفس الشيء. أنا منفتح على الإدخال إذا كانت لديك بيانات في كلتا الحالتين. ما زلت أرغب في تصديق أن المضخة ذات السرعة المتوسطة إلى المنخفضة التي تضخ سائلًا متوسط اللزوجة (حوالي 250 سنتيبواز) لن تصنع نفس الرأس تمامًا كما تفعل مع الماء. لكني أظن أن السرعة والجاذبية ستجادلان معي في هذه المسألة.
استنتاج
من المهم للغاية معرفة اللزوجة الفعلية للسائل الذي يتم ضخه. كثيرًا ما أشهد مشكلات في المضخة في الحقل بسبب الاختلافات في قيم اللزوجة المتصورة مقابل قيم اللزوجة الفعلية.
مراجع
معيار ANSI / HI 9.6.7 -2010 مضخات الطرد المركزي والتدفق المحوري ، AJ ستيبانوف
تصميم وتطبيق مضخات الطرد المركزي ، VS Lobanoff و RR Ross
تأثير اللزوجة على أداء مضخة الطرد المركزي ، أصدرت ورقة Ingersoll Rand الفنية عام 1957 بالاشتراك مع جامعة ليهاي ، آرثر إيبن
اعتبارات التصميم الهندسي والنظام لأنظمة المضخات والخدمات اللزجة ، CE Petersen